滁州市某圖書館地源熱泵空調(diào)設計

唐志華

上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司

1 項目概況

該工程位于安徽省滁州市，屬于夏熱冬冷地區(qū)，該圖書館共兩棟建筑（A館+B館），總建筑面積約26180.69m2，圖書館外觀效果圖見圖1。其中，A館無地下室，地上四層，建筑面積約15179.1m2，主要功能為閱覽室、報告廳、基藏書庫、古籍典藏室、自習室、辦公室等。B館地下一層，主要功能為地下汽車庫（戰(zhàn)時為人防工程）、制冷機房等設備用房，地上四層，主要功能為兒童閱覽室、文化藝術中心、辦公室、咖啡廳等，建筑面積約11001.59m2。該圖書館設計藏書量約48萬冊，讀者座位約1000個，日接待讀者能力2000人次。

圖1 圖書館外觀效果圖

2 空調(diào)系統(tǒng)形式

該工程是集閱覽、辦公、文化藝術中心為一體的綜合圖書館，各區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的運行時間有所區(qū)別。其中，閱覽區(qū)、文化藝術區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)圖書館的開放時間確定運行時間。而辦公區(qū)域（包括夜間開放的自習室等）在開館時間之外、甚至周末仍然有空調(diào)使用的需求。為方便工作人員能夠隨時獨立、靈活地運行和使用空調(diào)系統(tǒng)，應根據(jù)不同區(qū)域設置不同的空調(diào)系統(tǒng)形式。對于辦公區(qū)域，采用多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)，配置獨立的新風系統(tǒng)。網(wǎng)絡機房等區(qū)域需要一天24 h連續(xù)運行，故設置獨立的空調(diào)系統(tǒng)，并考慮一定的空調(diào)容量冗余。消防控制室、值班室等也需要一天24 h連續(xù)運行，均預留分體空調(diào)。而對于閱覽室、報告廳等其他區(qū)域，則采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，本文重點介紹地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計。

3 空調(diào)負荷計算

3.1 空調(diào)室內(nèi)、外設計參數(shù)

根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》（GB50736-2012）、《圖書館建筑設計規(guī)范》（JGJ 38-2015），確定室內(nèi)外設計參數(shù)[1]，如表1、表2。由HDY-SMAD 4.0負荷計算軟件，可以導出滁州地區(qū)逐時干球溫度和日平均干球溫度，如圖2、圖3所示。

表1 室外設計參數(shù)

表2 室內(nèi)設計參數(shù)

圖2 滁州地區(qū)逐時干球溫度

圖3 滁州地區(qū)日平均干球溫度

3.2 空調(diào)系統(tǒng)運行時間

圖書館各功能房間的開放時間，如表3所示。針對不同的房間功能特性，參照《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB50189-2015）附錄B中表B.0.4-1～表B.0.4-10的要求，對建筑的空調(diào)系統(tǒng)運行時間，室內(nèi)溫度，照明功率密度值及開關時間，房間人均占有的使用面積及在室率，人員新風量及新風機組運行時間表，電氣設備功率密度及使用率等參數(shù)進行分項設置，以兒童閱覽室，文化藝術中心的人員逐時在室率為例，則如圖4、圖5所示。

表3 圖書館各閱覽室開放時間

圖4 兒童閱覽室人員逐時在室率

圖5 文化藝術中心人員逐時在室率

3.3 全年動態(tài)空調(diào)負荷計算

利用HDY-SMAD 4.0空調(diào)負荷計算軟件，對該工程進行全年8760 h動態(tài)空調(diào)負荷模擬計算。A館、B館的空調(diào)全年動態(tài)逐時負荷曲線見圖6、圖7，分系統(tǒng)的空調(diào)最大冷負荷、熱負荷見表4。由全年動態(tài)空調(diào)負荷計算可知，建筑中出現(xiàn)空調(diào)滿負荷的比例極低，大部分時間內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)負荷低于最大負荷的50%，因此在配置空調(diào)冷熱源時，需充分考慮冷熱負荷的全年分布狀況和全年冷熱不平衡問題。

表4 圖書館分系統(tǒng)的空調(diào)負荷

圖6 A館全年8760 h動態(tài)空調(diào)負荷曲線圖

圖7 B館全年8760 h動態(tài)空調(diào)負荷曲線圖

4 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計

4.1 地源熱泵主機選型

根據(jù)負荷計算結果可知，由地源熱泵空調(diào)主機承擔的空調(diào)總冷負荷為2655 kW，總熱負荷為1735 kW。該工程制冷機房設置在B館地下一層，共選用3臺制冷量/制熱量為975 kW/954.3 kW的螺桿式地源熱泵冷熱水機組，夏季空調(diào)供回水溫度6/12℃，冬季空調(diào)供回水溫度45/40℃，冷卻水系統(tǒng)采用垂直地埋管土壤換熱系統(tǒng)。由于該工程夏季/冬季空調(diào)負荷差別較大，考慮到土壤熱平衡的問題，設置了冷卻塔輔助冷卻系統(tǒng)，以排除夏季冷卻水中多余的熱量，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖8所示。

圖8 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

4.2 冷凍水系統(tǒng)設計

空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)兩管制變流量一級泵系統(tǒng)（空調(diào)主機定流量運行，末端變流量），可根據(jù)末端負荷自動調(diào)節(jié)空調(diào)主機開啟臺數(shù)。供、回水總管間設壓差旁通閥組，可根據(jù)供、回水總管間的壓差變化自動調(diào)節(jié)進入末端系統(tǒng)的水量。冷凍水通過分(集)水器分為二路，分別供A館和B館使用，每一路冷凍水總管上均設冷熱量計量裝置，以便于分別計量A館和B館的空調(diào)系統(tǒng)用能情況。空調(diào)機組、新風機組的水系統(tǒng)采用兩管制同程式，空調(diào)機組、新風機組的回水管上均設置動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥。水系統(tǒng)的定壓均采用定壓補水真空脫氣機組。

4.3 冷卻水系統(tǒng)設計

空調(diào)冷卻水系統(tǒng)采用地埋管換熱系統(tǒng)為主，冷卻塔散熱為輔。地埋管側、冷卻塔側單獨設置水泵，均采用變頻控制，可根據(jù)建筑負荷變化進行流量調(diào)節(jié)，以節(jié)省運行電耗。地埋管側、冷卻塔側均設冷熱量計量裝置，以監(jiān)控地埋管全年總釋熱量與總吸熱量是否平衡。冷卻塔通過板式換熱器與地埋管側冷卻水系統(tǒng)間接連接，以方便冷卻水系統(tǒng)單獨定壓。同時，將地埋管側、冷卻塔側水系統(tǒng)分隔開，也能防止開式冷卻水系統(tǒng)影響地埋管換熱管內(nèi)的水質(zhì)。

4.3.1 巖土熱響應試驗

業(yè)主委托第三方專業(yè)公司對項目區(qū)域進行地質(zhì)勘察，并進行了巖土熱響應試驗。根據(jù)巖土熱響應測試報告，場地土層自上而下分為：（1）0m～-10m，泥土層，黃色。（2）-10m～-105m，細沙層+粗砂層，黃黑色。場地周圍地層的原始地溫為17.42℃。雙U型DN25地埋管冬季單位井深換熱量為49.1W/m，雙U型DN25地埋管夏季單位井深換熱量為64.2W/m。

4.3.2 土壤換熱系統(tǒng)設計

垂直埋管深度較深，土壤溫度相對恒定，?。ㄉⅲ崮芰^強，通常是淺層土壤埋管方式的5倍以上[2，3]。文獻[4]用軟件模擬運行10年的情況，得到地埋管換熱器的年換熱效率曲線和整個系統(tǒng)的用電量。隨著鉆孔深度的減小，換熱效率降低，同時占地面積增加，在相同的流速下流量加大，管路接頭也較多，導致環(huán)路總阻力增大，水泵耗電量顯著升高。鉆孔深度并不是越大越好，60m以內(nèi)孔深時鉆機成本小，初投資低。80m以內(nèi)孔深時，可用普通型承壓塑料管，當?shù)刭|(zhì)情況較為有利時，應采用較大的鉆孔深度以降低運行費用[4]。

該工程建筑單體周邊的草地、道路下方可供埋管使用。為盡量減少占地面積，采用垂直地埋管土壤換熱器。根據(jù)相關規(guī)范[5]，并結合區(qū)域內(nèi)相關項目經(jīng)驗，設計埋管間距為5m×5m，采用雙U型地埋管土壤換熱器，鉆孔直徑φ=150mm。地埋管管材采用高密度HDPE100型De25x2.3雙U型，有效深度為100m。根據(jù)負荷計算結果，以冬季熱負荷作為地埋管換熱系統(tǒng)的設計計算依據(jù)，夏季多余的釋熱量通過冷卻塔進行輔助冷卻，以滿足夏季空調(diào)及土壤熱平衡要求。地埋管冬季最大吸熱量為1735×（1-1/COP）=1380 kW，地埋管管群附加系數(shù)取0.9，同時考慮一定的安全裕量，可計算得出，該工程設計地埋管打井數(shù)量為360口，地埋管換熱系統(tǒng)所需占地面積約為9000m2。

圖9 地埋管管道平面布置圖

制冷機房內(nèi)設地源側總分集水器，室外設5套二級分、集水器（設檢查井），每套連接72個孔。每9個孔采用同程式連接，水平橫管埋管于地下2.0m以下，二級分、集水器的主管通過水平埋管接至地下室制冷機房。地埋管換熱系統(tǒng)工作溫度如下：夏季制冷工況下，供/回水溫度為32/37℃。冬季制熱工況下，供/回水溫度為10/5℃。地埋管管道平面布置圖如圖9所示。

4.3.3 冷卻塔輔助冷卻系統(tǒng)

該工程以冬季熱負荷作為地埋管的設計依據(jù)，夏季散熱不足的部分通過冷卻塔進行輔助冷卻，同時也應滿足土壤的熱平衡要求。設計選用開式機械循環(huán)的超低噪聲橫流冷卻塔，設置在B館屋面，冷卻塔采用變頻風機，冷卻水供/回水溫度為32/37℃。

4.4 空調(diào)風系統(tǒng)設計

大廳、無障礙閱覽區(qū)、多功能廳、綜合借閱室等大空間區(qū)域均采用全空氣定風量空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)機組均采用變頻調(diào)速風機，可與排風機配合，在過渡季節(jié)可實現(xiàn)50%風量全新風運行。對于討論室等小房間，均采用風機盤管加新風系統(tǒng)。在大廳上空，還設置了排風系統(tǒng)，平時空調(diào)季節(jié)或過渡季節(jié)開啟對應的風機排風，以保持空調(diào)區(qū)內(nèi)的風量平衡。

5 運行與控制策略

地源熱泵系統(tǒng)作為一種節(jié)能環(huán)保的空調(diào)形式，其應用越來越廣泛。該工程為了更好地解決土壤熱平衡問題，采用冷卻塔輔助冷卻的地埋管地源熱泵系統(tǒng)，但仍需要以較為合理的運行與控制策略作為保障，這其中的關鍵在于冷卻塔的運行策略。一些研究者通過模擬的方法比較了冷卻塔的五種基本運行策略[6]：

1）當熱泵機組的進口水溫超過某一設定值時，開啟冷卻塔輔助冷卻。

2）當熱泵機組的進口水溫與室外干球溫度的差值大于設定值時，開啟冷卻塔。

3）當熱泵機組的進口水溫與室外濕球溫度的差值大于設定值時，開啟冷卻塔。

4）在過渡季非空調(diào)時段，熱泵機組停運，利用冷卻塔來降低土壤溫度。

5）冷卻塔定時運行，根據(jù)建筑物內(nèi)部的負荷情況設定開啟冷卻塔的時間段。

相比之下，策略1）僅需控制熱泵機組的進口水溫，操作起來更為便捷，筆者推薦采用此控制策略，建議初始的溫度設定值取32℃。同時，該工程還在地埋管側、冷卻塔側的冷卻水主管上設置了冷熱量計量裝置。隨著熱泵機組的運行，管理人員可以根據(jù)往年累積在土壤中的散熱量（或取熱量）數(shù)據(jù)，逐年調(diào)整此溫度設定值，以期能夠更好地保持土壤中的熱平衡。當累年在土壤中的散熱量大于累年從土壤中的取熱量時，可降低此溫度設定值；反之，則應該調(diào)高此溫度設定值。

6 設計總結

本文結合工程實踐，從空調(diào)系統(tǒng)形式選擇、空調(diào)負荷計算、熱泵主機選型、冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、空調(diào)風系統(tǒng)等幾個方面，簡要介紹了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計。根據(jù)圖書館的開放時間、不同功能房間的人員逐時在室率等條件，對圖書館進行了全年8760 h動態(tài)空調(diào)負荷計算，并分析了圖書館空調(diào)負荷的特點。介紹了地埋管土壤換熱系統(tǒng)的設計，主要應從鉆井深度、埋管間距、地埋管換熱量計算等幾方面考慮，并設置了冷卻塔輔助冷卻系統(tǒng)，以排除熱泵機組夏季多余的熱量，并保持土壤中的熱平衡。推薦了適合該工程的冷卻塔運行策略，即：當熱泵機組的進口水溫超過某一設定值（建議初始的溫度設定值取32℃）時，開啟冷卻塔進行輔助冷卻，并通過分析冷熱量計量裝置記錄的往年累積在土壤中的散熱量（或取熱量）數(shù)據(jù)，逐年調(diào)整此溫度設定值。

[1] 中國建筑科學研究院.民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范(GB 50736-2012)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012

[2] 郭二寶,宣玲娟,李嵐.土壤源熱泵在合肥某工程中的應用[J].低溫與超導,2009,(11):70-74

[3] 李娟,寇秀培,趙建成.垂直埋管式地源熱泵的實例應用及經(jīng)濟性分析[J].建筑熱能,2008,26(3):41-44

[4] 謝鸝,徐菱虹,胡平放.混合式地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化研究[J].建筑熱能通風空調(diào),2008,(4):53-55

[5] 中國建筑設計研究院.地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范 (2009年版)(GB 50366-2005)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[6] 花莉.基于熱平衡的復合式地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行策略[J].暖通空調(diào),2013,43(12):148-153